CN102880910A - 一种区域地下水污染风险评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及境科学、环境风险和环境管理领域，尤其涉及一种利用多指标及空间可视化技术，综合评价地下水污染的风险的评价方法。综合区域地下水脆弱性、地下水价值、污染源特性、人群健康风险评价，利用GIS平台构图表征，对区域地下水污染风险进行可视化评价，提高了评估精度，便于直观感受评价结果。其步骤包括：（1）选择区域地下水污染的主要因素：地下水脆弱性、污染源分析、地下水价值评估、健康风险等；建立多指标区域地下水污染风险评价指标体系并采用对应的方法对区域污染，尤其是区域特征污染物的风险进行评价；（2）基于GIS制图技术对区域地下水污染风险指标进行叠加运算，得出风险图，实现区域地下水污染风险的可视化评价。

Description

一种区域地下水污染风险评价方法

技术领域

本发明属于环境科学、环境风险和环境管理领域，尤其涉及一种利用多指标及空间可视化技术，综合评价地下水污染的风险的评价方法。

背景技术

地下水是水循环的重要组成部分，是我国城市供水的重要水源，也是重要的饮用水源之一。随着地下水资源的日益开发，其污染日益严峻．如遭到农业面源和城市雨污水迳流的污染；城市化和工业化产生的污水和固体垃圾的直接排放污染；采矿和废气矿坑污染；超量开采地下水引发的咸水入侵和自然有害物质的溶解导致地下水水质恶化等。由于地下水交替程度较弱，自净能力较低，对其污染风险评价就显得尤为重要。

通常在考虑评价区域地下水风险时，多采用过程分析法确定影响因素，认为地下水的易污性、污染源为污染风险的主要决定要素。目前，国内外主要采用了DRASTIC评价法研究地下水易污性，并结合污染源风险进行地下水污染风险模糊评价．但该方法因其指标固定，未考虑具体评价区域特殊性（区域特征污染物、评价区特殊的水文地质条件、人口密集情况等），因此会影响评价结果的准确性和精准度．地下水污染风险评价包含各种复杂的问题，不仅与评价区自然水文地质条件有关，而且与区域特征污染物及其对人群的健康影响等诸多因素有关。在环境风险评价中，从评价范围划归等级，区域地下水污染风险评价属于系统风险评价，其边界要素是：空间范围、时间长度、风险种类（污染源、特征污染物）、地下水综合价值、人群健康风险。

综合地下水脆弱性性、地下水价值评估、区域污染源特性及区域特征污染物健康风险评价等研究方法，构建针对区域特征污染的地下水污染风险评价指标体系。建立多因素耦合的地下水污染风险评价方法，本发明不考虑污染物在包气带中的水平扩散，其核心是通过分析地下水污染过程及其对人群的健康风险，提取主要的影响因素（易污性、污染源分析、价值评估、健康风险），采用对应的方法对区域污染，尤其是区域特征污染物的风险进行评价。利用GIS平台进行构图表征，通过建立各因素的空间图层，进行图层叠加，表征区域地下水污染风险。建立了就某种或某几种污染物的多指标耦合评价方法，对不同地区不同自然条件、不同污染类型的区域地下水风险的识别和防控具有重要的理论和现实意义。

发明内容

本发明针对区域地下水污染风险评价中涉及的诸多影响因素及空间分析现状，提供一种基于建立地下水污染多评价指标体系及空间可视化技术的区域地下水污染风险评价的方法。该方法包括如下2个步骤：

（1）选择区域地下水污染的主要因素，其中包括：地下水脆弱性、污染源分析、地下水价值评估、健康风险等；建立多指标区域地下水污染风险评价指标体系并采用对应的方法对区域污染，尤其是区域特征污染物的风险进行评价；

（2）基于GIS技术将区域地下水脆弱性评价、污染源分析、地下水价值评估、健康风险评估进行直接叠加或者加权叠加运算，得出区域地下水污染风险评价图，实现对经济和生态环境复合系统下地下水污染风险的评价。

本发明的特征在于综合考虑地下水的多影响因素构建污染风险的评价指标体系，在每一个子评价指标中按照区域地下水特点进行优化，并且对于评价结果进行可视化表征。

子评价指标一区域地下水易污性评价

地下水易污性是指地下水在自然状态下容易遭受外界污染的程度。本发明采用DRASTIC指标法评价，其中，D：地下水埋深；R：净补给量；A：含水层介质；S：土壤介质；T：地形；I：非饱和带的影响；C：含水层渗透系数的计算如公式（1）：

DRASTI CIndex=DrDw+RrRw+ArAw+SrSw+TrTw+IrIw+CrCw          （1）

式中，Dr、Rr、Ar、Sr、Tr、Ir、Cr分别为各因子的分级值；Dw、Rw、Aw、Sw、Tw、Iw、Cw分别为各因子的权重值．

但传统DRASTIC评价法中的指标因素是固定不变的，在不同地区地下水易污性的影响因素之间的相对重要程度有差异，评价指标体系也应有所不同，影响地下水易污性的实际水文地质因素复杂，各评价区重点监控的特征污染物不同，对生态环境的风险也有差异．在具体评价时应根据实况，选取合适的区域评价指标，建立区域评价指标体系，结合模糊商榷理论，根据公式（2）-（8）确定指标权重，进行区域地下水易污性评价。

含水层易污性是一个相对模糊的概念，因此用考虑指标连续变化计算得到的样本指标的相对隶属度r_ij取代DRASTIC模型中的指标定额．将各个参数评分划分出10个级别的指标标准特征值进行识别，则有7×10阶指标标准特征值矩阵：

Y＝y_ih                                        （2）

式中y_ih为级别h指标i的标准特征值,i＝1,2,…,7;h=1,2,…,10．

设有n个待评价的样本，每个样本有m个评价指标，则根据实测数据构造评价指标特征值矩阵:

X＝x_ij                                        （3）

利用各指标对极难污染的相对隶属度公式：

将矩阵X转化为指标相对隶属度矩阵R：R=r_ij

基于相对隶属度，计算第i个评价指标下第j个待评价样本的评价指标特征值比重：

$p_{\mathrm{ij}}=r_{\mathrm{ij}}/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}---\left(5\right)$

和第i个评价指标的熵为:

$e_i=-\frac{1}{\ln m}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i_j}\ln P_{i_j}---\left(6\right)$

得到相应的第i个评价指标的权重为：

$w_i=(1-e_i)/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(1-e_i)---\left(7\right)$

便可构造基于DRASTIC的地下水易污性模糊综合评价模型，即易污性的相对隶属度向量：

$u_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{r}_{\mathrm{ij}}---\left(8\right)$

式中，u_i为地下水易污性指数；r_ij为相对隶属度；w_i为权重．

子评价指标二区域地下水价值综合评价

在许多地下水评价的研究中，常常使用简单的地下水价值评估方法。对含水层进行赋值定性评价，反映地下水价值。认为地下水供水源地一般位于含水层补给条件好且导水能力强的部位，所以在地下水价值评价时主要考虑含水层情况。但含水层特性通常意义上在易污性评价中探讨更为合理。

本发明研究认为地下水水资源价值受自然、社会和经济等因素影响，综合这些因素确立区域地下水综合评价指标体系：自然因素（人均地下水资源量、人均可替代资源量等）；社会因素（人均GDP、地下水用途等）；其他区域特点等。

根据国内外经济学、社会学、人文类报道。采用专家咨询法将指标体系各项进行等级标准见表4。

计算水资源价值评价的隶属度r_ij，并结合熵权法确定区域w_i。由此可以计算综合价值为

$V_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}\·w_i---\left(9\right)$

R_ij=f(X₁,X₂,...,X_i;Y₁,Y₂,...,Y_n)                （10）

式中:X₁～X_i为i个评价指标;Y₁～Y_n为n个等级标准;R_ij为构成水资源价值评价隶属度矩阵R的元素。

设研究区有i个评价指标，m个评价样本。在相对隶属度的基础上，利用公式（2）-（7）计算第i个评价指标下第j个待评价样本的评价指标特征值比重w_i.

子评价指标三区域地下水污染源特性评价

研究通过解析地表污染源构成，从污染源和污染物出发，确定污染源特性指标：污染源类型、位置、规模，污染物的量、存在形式、衰减特征、迁移特征和毒性等，结合模糊数学方法，以定量的方式进行污染源特性评价。

根据区域污染源的m种目标污染物，构建污染物多指标综合评价方法．采用公式（12）对其进行评价，得出污染物评价指数S_i；然后利用公式（15），计算n个污染源的综合评价指数S。

$S_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{\mathrm{rj}}{k}_{\mathrm{wj}}---\left(12\right)$

式中，m为目标污染物参数个数；k_rj为目标污染物参数分级值；k_wj为目标污染物参数权重．

确定污染物参数权重k_wj采用模糊层次分析法．首先根据选取研究区的n个污染源及x个污染源特性，确定优先关系矩阵F＝f_ij，并根据公式（10）确定模糊一致矩阵Q=q_ij，继而根据公式（11）计算出权重．

$q_{i_j}=\frac{q_i-q_j}{2x}+0.5,$ 其中: $q_i=\underset{j=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{ij}}---\left(13\right)$

$k_{\mathrm{wj}}=\frac{s_i}{\underset{i=1}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i},$ 其中: $s_i={\left(\underset{j=1}{\overset{x}{\mathrm{\Π}}}{q}_{\mathrm{ij}}\right)}^{\frac{1}{x}}---\left(14\right)$

$S=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}{n}---\left(15\right)$

子评价指标四区域地下水健康风险评价

运用US EPA推荐的健康风险评价模型，结合毒理学知识对区域特征污染物进行危害识别，确定区域特征污染物是否具有致癌或非致癌风险；通过剂量-反应评估对有害因子暴露水平与暴露人群健康效应发生率间的关系进行定量估算；并对区域内人群不同暴露途径下暴露于特征污染物的程度进行暴露评价，通过定量权重，给出评价结论。

对于健康风险评价，通常考虑终身日平均暴露剂量．暴露量用公式（16）计算得：

总剂量=污染物浓度×暴露频露×暴露持续露持×吸收因子        （17）

在暴露评价的基础上进行风险表征，估算不同条件下可能产生的健康危害的强度和某种健康效应发生概率，非致癌污染物健康风险评价模型公式（18）：

$P=\frac{D}{\mathrm{RfD}}\×{10}^{-6}---\left(18\right)$

式中，D为非致癌污染物的单位体重日均暴露剂量；P为发生特定健康危害的终身风险．

致癌污染物的健康风险评价模型如公式（19）：

p=1-exp(-qD)                （19）

式中，p为患癌风险增值；D为化学致癌物单位体重日均暴露剂量；q为致癌强度系数．

运用模糊化原理，根据专家意见将风险评价标准进行分级并赋值，生成区域特征污染物健康风险等级图．

综上所述，对研究区地下水主要影响因素（易污性、地下水价值分析、污染源分析、健康风险），采用对应的方法进行区域特征污染物的风险评价，且基于GIS平台利用其图层赋值功能，地下水易污性分级图、地下水价值图、污染源综合评价图和健康风险等级图，进行直接叠加生成地下水污染风险图。

本发明的目的在于提供一种综合全面、科学、实用性强、操作性强的区域地下水污染风险评价方法，与现有的方法相比，本发明具有以下优点：

（1）对地下水污染风险评价综合且全面：本发明建立了多指标的耦合评价模型考虑区域污染特殊性，在特征污染物确定的基础上，建立区域地下水特殊易污性、地下水价值分析、污染源分析、健康风险4个子评价系统耦合的评价模型，实现区域地下水污染风险的综合而全面的评价。

（2）适用性强：本发明所建立的模型适用于任何区域的地下水污染风险评价（不考虑污染物在包气带中的水平扩散）。

（3）评价方法科学：本发明是基于GIS平台，在构建区域地下水污染风险评价指标体系的基础上，对每个子评价系统进行评价结果的可视化；根据区域地下水特征污染物特征差异，根据权重的不同在GIS平台进行图层计算、叠加，得出区域地下水污染风险评价图。在评价过程中，因子权重是根据子评价系统的相关因素通过数学方法、专家咨询法、资料收集法等而确定，实现了区域地下水污染风险全面科学的评价。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1：区域地下水污染风险流程示意图；

图2：某市Cd的有效形态含量及分布

图3：某市Fe的有效形态含量及分布

图4：某市Cu的有效形态含量及分布

图5：某市Pb的有效形态含量及分布

图6：某市脆弱性评分图

图7：某市地下水脆弱性分级图

图8：某市地下水价值评分图；

图9：某市污染源特性评价图；

图10：某市地下水健康风险总值；

图11：某市地下水污染风险表征图。

具体实施方法

以下通过附图和实施例，对本发明的具体实施方法作进一步的详细描述。

实例苏南某市地下水污染风险评价

1.研究区概况

某市为平坦广阔的冲湖积平原．第四系松散物厚度较大（一般在150m以上），以河流相粗颗粒沉积为主，自上而下沉积物颗粒由细至粗．含水砂层极为发育，蕴藏的地下水资源极为丰富．含水层岩性主要为上更新统冲积、冲湖积相灰-灰黄色粉砂、细砂、粉土组成．北部沿江带岩性多为粉细砂、中细砂，砂层厚度较大，一般在15~30m之间．南部平原区砂层的连续性较差，多呈透镜体分布，岩性以粉土、粉砂为主，砂层厚度一般小于10m．该市工业发达，其中电镀行业、冶金行业、机械加工业较为密集，由于以前企业的粗放型经济发展模式，周边土壤、地下水受到历史污染严重，对区域人群健康构成威胁．根据前期研究对区内污染源的系统调查筛选，土壤和区域地下水的主要特征污染物为Pb、Cd、Fe和Cu。

2.区域地下水污染风险评价

2.1区域地下水脆弱性评价

2.1.1某市DPASLIC模型的确定

某市地形坡度在1/500~1/200之间，地形对脆弱性的影响较小，可忽略不计；考虑数据的可得性，用降雨入渗补给量P代替影响地下水脆弱性的净补给量R；因人为因素（人口密度L）对地下水特殊脆弱性影响较大，将其考虑在指标体系内，建立某市特殊脆弱性评价指标DPASLIC，其中D：地下水埋深，P：降雨入渗补给量，A：含水层介质，S：土壤介质，L：人口密度，I：不饱和介质的影响，C：含水层渗透系数．通过查阅大量文献，了解不同指标对地下水脆弱性不同的影响程度，针对研究区现状和DRASTIC指标选取定性、定量指标，初步确定评价指标及其特征值，并根据对地下水脆弱性影响的大小进行分级，级别越高，影响越大．通过集中讨论，向水文地质学、环境土壤学、环境化学、气象学等多领域专家咨询，论证，确定各评价指标及其特征值，见表1和表2。

表1含水层岩性、土壤类型和非饱和带介质的级别与特征值

表2地下水埋深、降雨入渗补给量、坡度和渗透系数的级别与特征值

2.1.2特征污染物影响分析

通过污染物的有效形态来评价其对生态系统的风险，在其他的环境风险评价中运用较为广泛。土壤的理化性质可间接影响地下水中重金属的有效形态．本发明拟通过重金属的有效形态来反映重金属污染对区域地下水脆弱性的影响．根据对土壤进行采样监测，分析各种重金属的有效形态含量（见表3），进行区域特征污染物对地下水脆弱性影响的研究．

2.1.3区域地下水脆弱性评价结果

某市地下水脆弱性评价结果见表3地下水脆弱性指数分布不均，范围为0.102~0.572，其中龙虎塘以北春江镇等地脆弱性指数较高，遑里一区脆弱性指数最低。重金属有效形态含量普遍较高，各种重金属有效形态最高或较高含量值分布在不同地区。

表3某市地下水脆弱性评价结果

2.2区域地下水价值评价

某市地下水价值评价指标为：人均地下水资源量、人均可替代资源量、人均GDP、地下水用途。结合确定的指标等级标准值（见表4），采用模糊熵权理论计算该市评价指标的权重，得到该市地下水价值各指标权重及评价区域相对隶属度（见表5），可以看出该市地下水价值指数分布不均，价值悬殊较大，大部分地区地下水价值指数较高，城区东北部及西南部地下水价值指数较低。

表4地下水价值评价等级标准

表5某市地下水价值评价指数

2.3区域地下水污染源特性评价

选取对地下水污染风险影响较大的5个污染源性质参数，分别为存在形式、衰减特征、污染物的量、迁移性及毒理性等．污染源参数设计的分值范围为1~10，对地下水威胁最大的评分为10，威胁最小的评分为1，各参数的评分结果见表6．

采用模糊层次分析法对污染源参数的权重进行计算．设目标污染物的存在形式、目标污染物的衰减特征、污染负荷、毒性及迁移特征分别为f₁、f₂、f₃、f₄、f₅，确立优先关系矩阵F．并计算模糊一致矩阵Q．计算污染源参数权重值见表7．

$F=\left|\begin{array}{ccccc}0.5& 1& 0& 1& 0\\ 0& 0.5& 0& 0.5& 0\\ 1& 1& 0.5& 1& 0.5\\ 0& 0.5& 0& 0.5& 0\\ 1& 1& 0.5& 1& 0.5\end{array}\right|$

$Q=\left|\begin{array}{ccccc}0.5& 0.8& 0.2& 0.8& 0.2\\ 0.2& 0.5& -0.1& 0.5& -0.1\\ 0.8& 1.1& 0.5& 1.1& 0.5\\ 0.5& 0.5& -0.1& 0.5& -0.1\\ 0.8& 1.1& 0.5& 1.1& 0.5\end{array}\right|$

表6地下水污染源参数的评分

以毒理学为依据，参考污染物的毒性参数，进行危害鉴定．选取土壤中污染物超标率高、检出率高，且具有一定毒性效应的Cd、Pb、Fe、Cu为区域特征污染物．采用多指标评价方法确定研究区地下水污染源综合指数，该市地下水污染源参数权重见表7，其中，污染物的存在形式、污染物的量及迁移特征所占比重较大，污染物的衰减特征及毒性所占比重较小。污染源特性指数结果见表8，该市污染源特性指数波动较大，指数较高地区分布在安家-薛家-郑陆一线东南部及孟河-九里及湟里以东、安家-城区-夏溪-寨桥以西大部分地区；城区及湟里等地污染源特性指数较低。

表7地下水污染源参数的权重

表8某市污染源特性指数

2.4地下水污染物健康风险评价

2.4.1水质监测

常州大学于2011年5月-2012年6，在某市区全市范围内内共设置150个采样点，针对特征污染物于进行4次取样，丰水期、枯水期各2次．各指标的检测值范围、超标率见表9．

表9某市地下水水质监测

2.4.2健康风险评价参数分析

根据国际癌症研究机构(IARC)和世界卫生组织(WHO)编制的权衡化学物质致癌性可靠程度体系，选取美国环保署（US EPA）综合风险信息系统（IRIS）所列致癌强度系数及非致癌RfD值作为健康风险评价的依据，见表10．

表10化学致癌物致癌强度系数和非致癌物参考剂量

2.4.3基于区间数的健康风险评价

本研究运用模糊化原理，采用专家咨询法，将风险评价标准区间分为6个等级：C₁={Ⅰ|低风险}；C₂={Ⅱ|低-中风险}；C₃={Ⅲ|中风险}；C₄={Ⅳ|中-高风险}；C₅={Ⅴ|高风险}；C₆={Ⅵ|极高风险}，并对各等级进行赋值（表11）．

表11评价标准的分级与分值

2.4.4健康风险评价结果

运用健康风险评价模型，计算得出化学有毒污染物通过饮水途径的人均年风险总值和区域不同风险水平对各个评价标准等级的隶属度值，从而得到区域污染物健康风险水平等级见表12，可以看出，该市健康风险值波动较小，总体水平较高，孟河九里以西以及城区及其东南部一代风险值最高。

表12有毒污染物所致健康危害的总风险值及其相对隶属度

3某市地下水污染风险可视化表征

3.1区域地下水脆弱性评价

利用新建的DPASLIC模型对研究区进行地下水脆弱性分析，基于ARCMAP9.3的图层赋值功能，生成脆弱性指数图，通过对脆弱性指数图进行分级，得到地下水脆弱性分级图；同样的方法得到各种重金属有效形态含量及分布图，与脆弱性分级图叠加后得到某市地下水脆弱性图，如图2~7所示．

3.2区域地下水价值评价

基于ARCMAP9.3的图层赋值功能，对该市进行地下水价值指数赋值，得到地下水价值评分图，如图8所示．

3.3区域污染源特性评价

基于ARCMAP9.3的图层赋值功能，对该市进行污染源特性指数赋值，得到污染源评价指数图，如图9所示．

3.4地下水污染物健康风险评价

对该市各个区域进行区域污染物健康风险赋值，得到健康风险值图见图10．

3.5区域地下水污染风险评价

运用ARCGIS 9.3软件Spatial Analysis功能将图7、图8、图9和图10进行叠加，生成某市区地下水污染风险表征图，对某市区基于区域水文地质条件、区域污染源现状及区域人群健康风险的地下水污染风险进行表征，结果见图11．

由图11可以看出，某市地下水污染风险总体水平较高，污染风险较高区分布在市区西南部．

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围

Claims (6)

1.一种区域地下水污染风险评价方法包括如下2个步骤：

（1）选择区域地下水污染的主要因素，其中包括：地下水脆弱性、污染源分析、地下水价值评估、健康风险；建立多指标区域地下水污染风险评价指标体系并对区域污染的风险进行评价；

（2）基于GIS技术将区域地下水脆弱性评价、污染源分析、地下水价值评估、健康风险评估进行直接叠加或者加权叠加运算，得出区域地下水污染风险评价图，实现对经济和生态环境复合系统下地下水污染风险的评价。

2.如权利要求1所述的区域地下水污染风险评价方法，其特征是区域地下水脆弱性评价的方法是基于DRASTIC模型，建立新的DPASLIC指标体系，适合于人口密度较大的平原地区；采用根据实际指标体系所建立的指标相对隶属度r_ij代替原来的指标定额，结合模糊熵权法确定指标权重进行加权评价区域地下水脆弱性。

3.如权利要求1所述的区域地下水污染风险评价方法，其特征是区域地下水价值评估的方法是选取区域人均地下水资源量、人均可替代资源量、人均GDP及地下水用途四个指标，确定其在地下水价值评价中的等级标准值，利用模糊熵权法确定指标权重并与指标相对隶属度进行加权得到地下水价值综合值，进行地下水价值评价。

4.如权利要求1所述的区域地下水污染风险评价方法，其特征是区域污染源特性评价中通过解析地表污染源构成，从污染源和污染物出发，确定污染源特性指标：污染源类型、位置、规模，污染物的量、存在形式、衰减特征、迁移特征和毒性，并根据区域特性选择合适指标体系，结合模糊数学方法，以定量的方式进行污染源特性评价。

5.如权利要求1所述的区域地下水污染风险评价方法，其特征是区域地下水健康风险评价方法是基于健康风险评价四步法：危害识别、计量-反应评估、暴露评价、风险表征，运用模糊数学原理中的区间数原理，将风险值进行模糊分级，得到区域健康风险水平。

6.如权利要求1所述的区域地下水污染风险评价方法，其特征是区域地下水污染风险可视化表征方法是基于GIS平台，将权利要求2、3、4、5所述的评价结果进行相应图层赋值，分级并叠加成区域地下水污染风险图，完成可视化表征。

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